CN105466454A - 无线电高度表自检系统及自检方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无线电高度表自检系统，包括差拍信号模块、三角波相位信息模块、差拍频率计算模块、高度计算模块、多普勒速度计算模块、升降速度计算模块和系统自检模块。本发明还公开了利用上述无线电高度表自检系统实现自检的方法。本发明准确测量高度表的多普勒频移，同时比较测高数据微分后的升降实际升降的速度，通过两者的对比实现对高度表的自检。

Description

无线电高度表自检系统及自检方法

技术领域

本发明涉及无线电测高技术领域，具体地，涉及一种无线电高度表自检系统及自检方法。

背景技术

在无线电高度表的应用中，多普勒效应是一个不可忽略的误差因素，以往的高度表设计中采用各种方法消除多普勒效应带来的误差，但效果都不理想。

当观测点相对波源有相对运动时，观察点测量到的波源频率将会发生变化，这种现象成为多普勒效应。

当波源与观察点存在相对运动时，以两者处于相向运动(距离随时间减少)为正方向V，则造成的波长的变化如式1所示：

${\mathrm{\λ}}_d=\frac{V+C}{C}\mathrm{\λ}---\left(1\right)$

其中C为光速，λ为原始波长，λd为多普勒效应后的波长。频率变化如式2所示：

$F_d=\frac{C}{V+C}\×F=(1-\frac{V}{V+C})\×F---\left(2\right)$

其中F为原始频率，Fd为多普勒效应后的频率，考虑到一般物体运动速度远远小于光速，则多普勒效应引起的频率误差如式3所示：

$\mathrm{\Δ}F=F_d-F=\left(\frac{V}{V+C}\right)\×F\≈\frac{V}{C}F---\left(3\right)$

因此，当波源与观察点互相接近时频率增加，互相远离时频率降低，频率增加(减小)的大小与相对速度成正比无线电高度表工作原理无线电高度表是利用测量电磁波传播延迟的原理，来确定地球表面上空飞行器的高度。连续波调频体制无线电高度表，发射一个频率随时间变化的信号，接收的回波信号具有与高度相一致的时间延迟。发射与接收信号的差拍频率输出是延迟时间的函数，因而也是高度的函数。脉冲体制无线电高度表是将电磁波脉冲信号照射地球表面，测量回波信号相对发射脉冲的延迟时间，这样就确定了高度。当飞行器相对地面有垂直升降速度时，其回波信号频率将随之改变，必然对高度表带来测量误差。

在高度表的实际使用中，当飞行器以V1的速度运动(以向上为正方向)，地面反射电波波长变化如式4所示：

${\mathrm{\λ}}_d=\frac{V_1+C}{C}\mathrm{\λ}---\left(4\right)$

相应其反射频率变化如式5所示：

$F_d=\frac{C}{V_1+C}\×F=(1-\frac{V_1}{V_1+C})\×F\≈(1-\frac{V_1}{C})\×F---\left(5\right)$

那么飞行器多普勒效应给回波信号带来的误差如式6所示：

$\mathrm{\Δ}F=\frac{V1}{C}\×F---\left(6\right)$

由此可见，当飞行器的垂直升降速度越高，其多普勒效应越加明显。假设飞行器以音速飞行，俯仰角为30°，高度表工作频率为4200MHz～4400MHz，其带来的多普勒效应可达到2KHz，而高度表中频信号一般取15～30KHz，其带来的误差为6.7％～13％，远超过高度表的3％的最低要求。同样当飞行器保持平飞状态而地面存在较大起伏时(如飞行器在山区上空飞行)，也会同样带来强烈的多普勒效应。因此在高速飞行器以及在复杂环境下的的无线电高度表设计中多普勒效应带来的误差是一个不可忽略的因素。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种无线电高度表自检系统及自检方法。

根据本发明的一个方面，提供一种无线电高度表自检系统，其特征是，包括差拍信号模块、三角波相位信息模块、差拍频率计算模块、高度计算模块、多普勒速度计算模块、升降速度计算模块和系统自检模块，所述差拍信号模块连接差拍频率计算模块，所述三角波相位信息模块连接差拍频率计算模块，所述差拍频率计算模块连接多普勒速度计算模块，所述差拍频率计算模块连接高度计算模块，所述高度计算模块连接升降速度计算模块，所述多普勒速度计算模块与升降速度计算模块连接所述系统自检模块。

根据本发明的另一个方面，提供一种上述的无线电高度表自检系统的自检方法，其特征是，包括如下步骤：

(1)所述三角波相位信息模块向差拍频率计算模块发送三角波相位信息；

(2)所述差拍频率计算模块根据所述三角波相位信息，分别在高度表三角波调制周期的上升阶段和下降阶段分别对差拍信号进行频率测量，并将计算结果分别送到所述高度计算模块和所述多普勒速度计算模块；

(3)所述高度计算模块根据差拍信号频率测量结果获得当前高度信息，并将信息送给升降速度计算模块；

(4)所述升降速度计算模块根据当前高度以及以往高度信息计算出高度表的升降速度并将结果送给系统自检模块；

(5)所述多普勒速度计算模块根据所述差拍频率计算模块发送来的计算结果计算出高度表的升降速度结果发送给所述系统自检模块；

(6)所述系统自检模块根据获得的高度表两种升降速度，判断两者的误差是否在预定误差范围内，从而判定高度表是否处于正常工作状态。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

准确测量高度表的多普勒频移，同时比较测高数据微分后的升降实际升降的速度，通过两者的对比实现对高度表的自检。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的无线电高度表自检系统的模块化结构示意图；

图2为三角波线性调频体制测高频率对照图。

图中：1为差拍信号模块，2为三角波相位信息模块，3为差拍频率计算模块，4为高度计算模块，5为多普勒速度计算模块，6为升降速度计算模块，7为系统自检模块。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参见附图1，无线电高度表自检系统包括差拍信号模块1、三角波相位信息模块2、差拍频率计算模块3、高度计算模块4、多普勒速度计算模块5、升降速度计算模块6和系统自检模块7，所述差拍信号模块1连接差拍频率计算模块，所述三角波相位信息模块连接差拍频率计算模块，所述差拍频率计算模块连接多普勒速度计算模块，所述差拍频率计算模块连接高度计算模块，所述高度计算模块连接升降速度计算模块，所述多普勒速度计算模块与升降速度计算模块连接所述系统自检模块。

差拍频率计算模块根据三角波相位信息模块提供的三角波相位情况，分别在高度表三角波调制周期的上升阶段和下降阶段分别对差拍信号进行频率测量，并将计算结果分别送到高度计算模块和多普勒速度计算模块，高度计算模块根据差拍信号频率测量结果获得当前高度信息，并将信息送给升降速度计算模块，升降速度计算模块根据当前高度以及以往高度信息计算出高度表的升降速度并将结果送给系统自检模块，同时，差拍频率计算模块根据差拍信号频率在三角波调制周期的上升阶段和下降阶段的差计算出多普勒频移，在此基础上计算出高度表的垂直升降速度也将结果送给系统自检模块，系统自检模块获得两种不同方式计算的高度表垂直升降速度后，即可根据两者的误差是否在预定误差范围内判定高度表是否处于正常工作状态。

参见附图2，无线电高度表采用三角波调制的方法消除多普勒效应，无线电高度表采用三角波线性调频体制，被测高度H是调频频偏、调制周期和差拍频率的函数。

根据附图2可得到如下关系式：

$H=C*Tm*fb\frac{C*Tm*fb}{4\mathrm{\Δ}F}---\left(7\right)$

ΔF＝F₁-F₂(8)

式中C为电磁波在空气中的传播速度，Tm为调制信号的调制周期，fb为差拍频率，F2为最高发射频率，F1为最低发射频率，两者之差ΔF即为调频频偏。从此关系式可见，C是常量，只要把调频频偏、调制周期和差拍频率三项参量中两项恒定，那么高度只是另外一项参量的函数，测出此参量就可得到高度。

继续参见附图2，三角波上升阶段，混频后的中频信号为F0-F1，三角波下降阶段，混频后的差拍信号为F1-F0，当不存在多普勒效应时，两者相同。

当飞行器以V1的速度运动(以向上为正方向)，电波波长增加为倍，相应其反射频率降低为 $\frac{C}{V_1+C}\×F_1=(1-\frac{V_1}{V_1+C})\×F_1\≈(1-\frac{V_1}{V_1+C})\×F_1,$ 则三角波上升阶段，混频后的中频信号频率如式9所示：

三角波下降阶段，混频后的差拍信号如式10所示

在本专利中，差拍频率计算模块根据三角波相位信息分别测量三角波上升段与三角波下降段的差拍频率，并将结果送给高度计算模块，在高度计算模块中，将三角波上升段与三角波下降段的差拍频率相加，则正好可以抵消多普勒频率带来的影响，从而获得正确的测高数据。在升降速度计算模块中，通过对当前高度数据以及前一时间高度数据进行微分运算，即可获得高度表的升降速度。

同时，多普勒频率计算模块得到三角波上升段与三角波下降段的差拍频率后，将三角波上升阶段的差拍频率减去三角波下降阶段的差拍频率，得变形后得取F1＝4.3GHz(无线电高度表常用频率)，C为光速，即可计算出飞行器上升速度或地面起伏(下降为负值)。1m/s对应28.7Hz，得

从理论上来说，通过高度表的高度数据进行微分处理获得的高度表上升(下降)速度和通过多普勒效应获得高度表的上升(下降)速度应该完全相同。但在实际应用中，无线电高度表的微波器件的非线性、三角波周期的误差等因数造成误差。通过对两个升降数据的分析，即可获得高度表内部参数是否正确，高度表工作是否正常。

在某些特殊情况如高度表在地面延迟线测试的情况下，此时通过对高度数据微分处理获得的高度表真实上升(下降)速度必然为0，此时三角波上升、下降阶段的频率差值必然是由于高度表VCO的非线性、三角波周期的误差等因数造成误差。在高度表设计中，可事先根据器件的性能确定允许的误差范围，当用自检系统测量获得的误差在允许的误差范围内时判定高度表工作正常，当用自检系统测量获得的误差超出允许的误差范围时判定高度表工作不正常，从而实现了高度表的器件性能自检。提高高度表的自检效率及自检覆盖率。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (2)

1.一种无线电高度表自检系统，其特征在于，包括差拍信号模块、三角波相位信息模块、差拍频率计算模块、高度计算模块、多普勒速度计算模块、升降速度计算模块和系统自检模块，所述差拍信号模块连接差拍频率计算模块，所述三角波相位信息模块连接差拍频率计算模块，所述差拍频率计算模块连接多普勒速度计算模块，所述差拍频率计算模块连接高度计算模块，所述高度计算模块连接升降速度计算模块，所述多普勒速度计算模块与升降速度计算模块连接所述系统自检模块。

2.一种如权利要求1所述的无线电高度表自检系统的自检方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)所述三角波相位信息模块向差拍频率计算模块发送三角波相位信息；

(2)所述差拍频率计算模块根据所述三角波相位信息，分别在高度表三角波调制周期的上升阶段和下降阶段分别对差拍信号进行频率测量，并将计算结果分别送到所述高度计算模块和所述多普勒速度计算模块；

(3)所述高度计算模块根据差拍信号频率测量结果获得当前高度信息，并将信息送给升降速度计算模块；

(4)所述升降速度计算模块根据当前高度以及以往高度信息计算出高度表的升降速度并将结果送给系统自检模块；

(5)所述多普勒速度计算模块根据所述差拍频率计算模块发送来的计算结果计算出高度表的升降速度结果发送给所述系统自检模块；

(6)所述系统自检模块根据获得的高度表两种升降速度，判断两者的误差是否在预定误差范围内，从而判定高度表是否处于正常工作状态。